Für eine sichere Anwendung additiv gefertigter Gitterstrukturen, z.B. in der Medizintechnik, ist das Verständnis über deren mechanisches Verhalten unerlässlich. Das Ziel dieser Arbeit lag daher in der experimentellen und numerischen Analyse des globalen Grenztrag- und Ermüdungsverhalten additiv gefertigter Titangitterstrukturen unter Berücksichtigung lokaler Schädigungsvorgänge bei einer allgemeinen Belastung. Hierzu erfolgten Druck-, Biege- und Torsionsversuche unter quasi-statischer und zyklischer Beanspruchung, bei denen die mechansichen Eigenschaften in Abhängigkeit der untersuchten Gitterdesignvarianten ausgewertet wurden. Zusätzlich wurde das Johnson-Cook Schädigungsmodell angewandt, um das Verformungsverhalten der Gitterstrukturen numerisch abzubilden.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die strukturellen Eigenschaften der Gitterstrukturen, wie relative Dichte und Stegbreite, deren mechanische Eigenschaften beeinflussen. Auch das Schädigungsverhalten ist durch die Geometrie der Gitterstrukturen vorgegeben. Hierbei zeigte sich eine vorrangige Abhängigkeit von der Einheitszellenform und weniger von der relativen Dichte. Aus den experimentellen und numerischen Untersuchungen dieser Arbeit geht außerdem hervor, dass die fertigungsbedingten Abweichungen das mechanische Verhalten der Gitterstrukturen maßgeblich beeinflussen. Entsprechend wichtig ist eine detaillierte Abbildung der tatsächlichen Geometrie, um neben den mechanischen Eigenschaften auch das lokale Versagensverhalten in Übereinstimmung mit den Experimenten abzubilden.
Im Fazit ist festzuhalten, dass die experimentellen und numerischen Untersuchungen wichtige Erkenntnisse für das mechanische Verhalten und insbesondere der lokalen Schädigungsvorgänge von additiv gefertigten Gitterstrukturen unter Druck-, Biege- und Torsionsbelastung geben und damit die Grundlage für eine schadenstolerante Auslegung beispielsweise von porösen Implantaten darstellen.
Aktualisiert: 2023-04-20
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Dieses Grundlagenwerk für die industrielle Entwicklung und Konstruktion
von additiv gefertigten Serien- und Endkundenteilen stellt praxisgerecht
neue Methoden, Wissen und Vorgehensweisen bereit, die eine erfolgreiche
Implementierung additiver Verfahren in Unternehmen unterstützen.
Aktualisiert: 2021-08-26
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Aktualisiert: 2021-04-08
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Mit Hilfe der additiven Fertigung, insbesondere dem pulverbettbasierten selektiven Laserstrahl-schmelzen (LBM), können hochkomplexe Strukturen endkonturnah hergestellt werden. Die große Designfreiheit ermöglicht, zelluläre Leichtbaustrukturen zu erzeugen, deren mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften direkt vom generativen Fertigungsverfahren abhängen. Insbesondere im Bereich des Leichtbaus bieten zelluläre Strukturen neue Ansätze zur Verminderung des Energieverbrauchs. Um dieses Potential vollständig ausschöpfen zu können, müssen die Effekte, die zum Versagen der Bauteile mit integrierten Gitterstrukturen führen, quantitativ beschrieben und verstanden werden. Dies ist Voraussetzung für eine sichere Auslegung. Dazu werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die charakteristischen Eigenschaften dieser Strukturen sowie die Einflussgrößen im Aufbauprozess näher beleuchtet.
Im Rahmen dieser Dissertation werden numerische und experimentelle Untersuchungen von zwei unterschiedlichen Gitterstrukturtypen aus den Werkstoffen 316L und TiAl6V4 vorgestellt. Beide Werkstoffe werden unter monotoner, einachsiger Belastung getestet. Die parallel dazu durchgeführte digitale Bildkorrelation (DIC) ermöglicht gleichzeitig die detaillierte Analyse der lokalen Dehnungsverteilung während der Verformung. Mikrostrukturelle Eigenschaften und die resultierenden Gittercharakteristika werden mit Hilfe von rasterelektronenmikroskopischen Analysemethoden untersucht. Zudem erfolgt die Entwicklung eines Finite-Elemente- Modells, mit der Anforderung eines möglichst geringen Rechenaufwandes. Ein abschließender Vergleich der realen Dehnungsverteilung mit der FE- Analyse verifiziert das Modell.
Aktualisiert: 2021-04-06
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Aktualisiert: 2021-03-23
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Aktualisiert: 2021-04-08
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